什么是陶瓷基板

      陶瓷基板是常用的一種電子封裝基片材料，是指銅箔在高溫下直接鍵合到氧化鋁(Al2O3)或氮化鋁(AlN)陶瓷基片表面上的特殊工藝板，具有立體布線密度高、介電常數(shù)低、散熱性能優(yōu)越、電磁屏蔽效果好等優(yōu)良性能，基本上能滿足微電子器件封裝的一切性能要求，被廣泛應(yīng)用于航空、航天和軍事工程的高可靠、高頻、耐高溫、強(qiáng)氣密性的產(chǎn)品封裝上。

      Al2O3陶瓷是一種綜合性能較好的陶瓷基片材料，具有價(jià)格低廉，制作和加工技術(shù)成熟的優(yōu)勢(shì)，因此應(yīng)用最為廣泛，占陶瓷基板材料的90%。與Al2O3陶瓷相比，AlN陶瓷的熱導(dǎo)率更高，與Si的熱膨脹系數(shù)更匹配，介電常數(shù)更低，適用于高功率、多引線和大尺寸芯片，被認(rèn)為是新一代高集成度半導(dǎo)體基片和電子器件封裝的理想材料。

陶瓷基板的應(yīng)用

01  陶瓷基板在芯片當(dāng)中的應(yīng)用

     由于陶瓷基板良好的導(dǎo)熱性能，多被應(yīng)用于LED的芯片中，除此之外，在大功率電力半導(dǎo)體模塊、半導(dǎo)體致冷器、電子加熱器、汽車電子，航天航空、軍用電子組件及太陽(yáng)能電池板組件等電子設(shè)備中也被廣泛應(yīng)用。

02  AlN陶瓷基板在三代半導(dǎo)體的應(yīng)用

      IGBT是現(xiàn)代電子電力器件中的主導(dǎo)型器件，是國(guó)際上公認(rèn)的電子電力技術(shù)第三次革命最具代表性的產(chǎn)品，AlN陶瓷基板在熱特性方面具有非常高的熱導(dǎo)率，散熱快、高電絕緣性；在應(yīng)力方面，熱膨脹系數(shù)與硅接近，整個(gè)模塊內(nèi)部應(yīng)力較低；又具有無氧銅的高導(dǎo)電性和優(yōu)異的焊接性能，是IGBT模塊封裝的關(guān)鍵基礎(chǔ)材料，廣泛應(yīng)用于軌道交通、智能電網(wǎng)、航空航天、電動(dòng)汽車與新能源裝備等領(lǐng)域。

03  Al2O3陶瓷基板在電子電力領(lǐng)域的應(yīng)用

     在電子電力領(lǐng)域，比如功率開關(guān)電源、電力驅(qū)動(dòng)等，需要介質(zhì)陶瓷基板來實(shí)現(xiàn)更好的導(dǎo)熱性能，防止電流燒壞和短路。

04  Al2O3陶瓷共燒板在鋰電池行業(yè)的應(yīng)用

      隨著人工智能和環(huán)保的推進(jìn)，汽車行業(yè)也推出電力轎車，主要是通過電池蓄電，采用陶瓷基板做的鋰電池可以實(shí)現(xiàn)更好的電流和散熱功能，促進(jìn)新能源汽車的市場(chǎng)需求。

05  陶瓷基板在集成電路當(dāng)中的應(yīng)用

      隨著集成電路精密化、微型化特征的發(fā)展，小尺寸的陶瓷基板芯片（小于3mm*3mm）通過技術(shù)也能實(shí)現(xiàn)小尺寸集成電路的封裝，因此對(duì)于集成電路的應(yīng)用也越來越廣泛。

加工方式

     為實(shí)現(xiàn)電子系統(tǒng)的高密度互聯(lián)，通常需要在陶瓷基板表面加工高品質(zhì)孔。據(jù)統(tǒng)計(jì)，陶瓷基板的加工成本占到陶瓷材料制備成本的1/3-2/3。然而，陶瓷屬于典型的硬脆難加工材料，其極高的硬度與脆性嚴(yán)重限制了常規(guī)加工技術(shù)的應(yīng)用。激光加工技術(shù)，以其獨(dú)特的無接觸式加工機(jī)制，成為以陶瓷為代表的硬脆材料高品質(zhì)加工的優(yōu)選方案之一。

      激光加工孔分為單孔和群孔兩種方式，分別有不同的特征評(píng)價(jià)：

激光加工單孔的特征評(píng)價(jià)

     對(duì)于單孔的加工，尺寸、質(zhì)量和效率是三個(gè)主要關(guān)注點(diǎn)。

➤尺寸：表現(xiàn)為極限值的獲得。對(duì)于電子陶瓷基板表面的孔，主要包括極小的孔徑、極大的孔深、極大的深徑比等。

➤形貌：可分為定量和定性評(píng)價(jià)兩種。其中，定量分析也表現(xiàn)為極限值的獲得，包括極大的孔口圓度、極小的孔錐度等；對(duì)于定性分析，包括孔的表面形貌特征，如孔口圓度、孔口表面噴濺物、孔口表面熱影響區(qū)和孔口表面微裂紋，及孔的側(cè)壁形貌特征，如孔的側(cè)壁表面形貌（含表面微裂紋）、側(cè)壁重鑄層和側(cè)壁熱影響區(qū)。

➤效率：當(dāng)然是極大值。

激光加工群孔的特征評(píng)價(jià)

     對(duì)于群孔的加工，也包含尺寸、質(zhì)量和效率三個(gè)關(guān)注點(diǎn)。

➤尺寸：依然表現(xiàn)為極限值的獲取。對(duì)于電子陶瓷基板表面的孔，主要包括群孔直徑高一致性、群孔深度高一致性、群孔深徑比高一致性、群孔孔邊間距極小值、群孔定位精度極小值和群孔位置精度極小值等。

➤形貌：定量分析包括群孔圓度高一致性、群孔錐度高一致性；對(duì)于定性分析，主要涉及群孔加工的樣片裂紋（表面和內(nèi)部）、崩裂等。

➤效率：依然是極大值。

激光加工微孔的尺寸和形貌特征的評(píng)價(jià)

（a）微孔尺寸特征；（b）微孔形貌特征

     對(duì)激光加工孔的形貌特性質(zhì)量的高追求在一定程度上表現(xiàn)為對(duì)孔高品質(zhì)加工的要求。進(jìn)一步地，對(duì)于電子陶瓷基板孔的高品質(zhì)加工在一定程度上決定著電子器件的高性能。

      電子陶瓷基板表面的孔數(shù)量龐大，一塊基板表面即包含成百上千個(gè)孔，且隨著對(duì)高密度互聯(lián)的需求，孔的數(shù)量增多，孔邊間距進(jìn)一步縮小。再者，孔的直徑和深度跨度均從幾十微米到幾百微米甚至達(dá)到毫米量級(jí)。因此，對(duì)于電子陶瓷基板表面的孔，其表面形貌質(zhì)量可以分為單孔形貌質(zhì)量和群孔形貌質(zhì)量?jī)蓚�(gè)方面，并根據(jù)孔徑、孔深等的差異，分別采取激光直沖加工和旋切加工的不同加工策略。此外，為了進(jìn)一步提升孔的加工質(zhì)量，還可以輔助以水環(huán)境等加工，統(tǒng)一稱為激光復(fù)合加工。

（研究現(xiàn)狀分析）

形貌特征及調(diào)控策略

單孔形貌特征及其調(diào)控策略

激光加工

      對(duì)于激光加工單孔形貌，首先要依據(jù)孔徑、孔深等尺寸特征確定采用直沖式加工還是旋切式加工的策略。此后，無論采用何種加工策略，其研究?jī)?nèi)容均為激光高能場(chǎng)與材料的相互作用機(jī)制進(jìn)而誘導(dǎo)的激光加工參數(shù)與單孔形貌質(zhì)量之間的關(guān)系。對(duì)于直沖加工，激光加工參數(shù)主要包括脈沖寬度、激光波長(zhǎng)、單脈沖能量、脈沖數(shù)、重復(fù)頻率、偏振特性等，對(duì)于旋切加工，激光加工參數(shù)還包括掃描策略及其參數(shù)等。研究目標(biāo)在于，激光加工參數(shù)與形貌特征參量間有規(guī)律的，明確其影響規(guī)律；無規(guī)律的，明確其影響機(jī)制，進(jìn)而指導(dǎo)加工。

激光復(fù)合加工

      近些年來，隨著對(duì)孔加工尺寸、形貌及效率的更高要求，單一激光并不能很好地滿足很多實(shí)際的加工需求，尤其對(duì)于硬脆等難加工材料，因此，激光復(fù)合加工策略應(yīng)運(yùn)而生，如激光-電解復(fù)合加工、激光-水導(dǎo)復(fù)合加工、激光溶液輔助加工（包括樣片在溶液下即溶液環(huán)境加工和溶液持續(xù)噴濺在樣片表面即溶液輔助加工）等。對(duì)于電子陶瓷基板表面孔加工，主要涉及的是激光溶液環(huán)境或溶液輔助的激光復(fù)合加工策略。其研究主要涉及激光多能場(chǎng)耦合機(jī)制及其與材料的相互作用機(jī)制等。

群孔形貌特征及其調(diào)控策略

     對(duì)于激光加工群孔形貌，首先要保證單孔形貌質(zhì)量，再者，還要考慮如群孔圓度一致性、群孔錐度一致性及群孔加工的樣片裂紋（表面和內(nèi)部）、崩裂等問題。其加工策略也包含激光加工和激光復(fù)合加工，且復(fù)合加工主要關(guān)注點(diǎn)為如何避免加工中的熱量累積進(jìn)而導(dǎo)致的樣片裂紋和崩裂。進(jìn)一步地，對(duì)于電子陶瓷基板表面孔加工，激光群孔加工的高品質(zhì)是其面向應(yīng)用的必然。

（激光在電子陶瓷基板表面加工的群孔）

技術(shù)成果轉(zhuǎn)化

      激光電子陶瓷基板表面孔加工技術(shù)是由西安交通大學(xué)梅雪松教授團(tuán)隊(duì)的研究課題，團(tuán)隊(duì)目前共有23人，正高級(jí)8人，副高級(jí)10人，助理教授4人，高級(jí)工程師1人，包括長(zhǎng)江學(xué)者特聘教授1人，青年長(zhǎng)江學(xué)者1人，國(guó)家優(yōu)秀青年基金獲得者1人，香江學(xué)者2人。博士/碩士研究生（含國(guó)外留學(xué)生）180余人。

     團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期致力于激光精密制造技術(shù)及其裝備的研究，具體包括超快激光加工理論、激光微納制造和高端激光制造裝備等。曾獲2020年度國(guó)家科學(xué)技術(shù)進(jìn)步二等獎(jiǎng)、2021年度陜西省技術(shù)發(fā)明一等獎(jiǎng)、2014年高等學(xué)�？茖W(xué)技術(shù)進(jìn)步一等獎(jiǎng)等。團(tuán)隊(duì)先后主持國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、LJ重大專項(xiàng)、裝備預(yù)研重點(diǎn)基金、國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目等多項(xiàng)國(guó)家重大科研項(xiàng)目，融合激光加工和智能制造技術(shù)，發(fā)展了硬脆材料的微細(xì)精密加工工藝與裝備等一系列關(guān)鍵技術(shù)。梅雪松教授團(tuán)隊(duì)作為無錫超通智能制造技術(shù)研究院有限公司強(qiáng)有力的技術(shù)支持，已經(jīng)完成技術(shù)轉(zhuǎn)移，相關(guān)產(chǎn)品也已獲得廣泛應(yīng)用。

（技術(shù)轉(zhuǎn)化部分產(chǎn)品展示）

     激光電子陶瓷基板表面孔加工技術(shù)雖然已經(jīng)在航空航天、民用微電子等領(lǐng)域有很廣闊的應(yīng)用，但是依然存在很多問題。無論是對(duì)于尺寸還是形貌，研究較成熟的還均為針對(duì)單孔的加工技術(shù)，而該項(xiàng)技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用，更需要的是解決群孔的加工，尤其是群孔加工中的高一致性、高定位精度、高重復(fù)定位精度、高效率等問題。為了解決這些問題，從激光光源、光束傳輸/聚焦的穩(wěn)定性，到光機(jī)電協(xié)同技術(shù)的精密運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，進(jìn)而到最終設(shè)備的高穩(wěn)定性等均需要保證，為我國(guó)微電子工業(yè)的快速發(fā)展打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

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